Введение к работе
Актуальность работы. Определение донного сопротивления является одной из важных задач в аэродинамике. Донное сопротивление тела вращения может достигать 30% полного сопротивления. Величина донного давления (донного сопротивления) тел вращения является функцией большого числа аэрогазодинамических параметров внешнего потока, а также зависит от компоновки летательных аппаратов (удлинения корпуса, формы лобового обтекателя, геометрических параметров хвостовой части). При управлении обтеканием летательных аппаратов (ЛА) с использованием аэродинамических щитков, за счет изменения формы донного среза (выемки), выреза или перфорации поверхности донной части, отрывное обтекание в донной области носит сложный характер и недостаточно изучено.
В настоящее время отсутствуют расчетные методы определения донного сопротивления для таких вариантов управления, имеются лишь разрозненные результаты по аэродинамическим характеристикам, полученные экспериментальным путем. Имеющаяся информация недостаточна для создания физических и математических моделей расчета донного сопротивления ЛА и вычисления параметров в донной области. Ввиду этого разработка метода определения донного сопротивления, проведение комплексных исследований влияния на донное давление различных вариантов выемок (с вырезом, с перфорацией), наличия органов управления в кормовой части, а также подвода теплоты в донную область и вращение ЛА являются актуальной задачей.
Цель работы. Целью работы являлось повышение точности определения аэродинамических характеристик (АДХ) ЛА с учетом влияния на донное давление аэродинамических щитков, выемок (с вырезом, перфорацией), удлинения корпуса, формы головного обтекателя, а также подвода теплоты в донную область и вращения ЛА.
Задачи исследования. В диссертации поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведение комплекса экспериментальных аэродинамических исследований в дозвуковой и в сверхзвуковой аэродинамических трубах, включающих дренажный, визуализационный и весовой эксперименты с использованием специально созданных моделей, позволяющих изменять компоновку, геометрические параметры ЛА и кормовой части.
-
Создание программно-алгоритмического обеспечения численного моделирования на основе комбинированного метода С. К. Годунова для вязкого трехмерного ламинарного потока тел простейших форм и метода контрольного объема с использованием программы Ansys для расчета донного давления ЛА с учетом управления обтеканием.
-
Разработка интегрального метода расчета донного давления за ЛА с учетом протоков между щитками и подвода теплоты в донную область.
-
Анализ и обобщение результатов численных исследований, выявление физических структур обтекания, определение донного давления за телами и влияние на него тормозных щитков, выемок (с вырезом, с перфораци-
ей), удлинения корпуса, формы носовой части, а также подвода теплоты и
вращения ЛА.
Объектом исследования являлись тела вращения различной компоновки ЛА с аэродинамическими щитками, с донной выемкой, с вырезом и перфорацией донной поверхности.
Методы исследования. В работе использованы методы экспериментальной аэродинамики, предусматривающие визуализацию течений, испытаний дренированных моделей ЛА и проведение весовых экспериментов в дозвуковой и сверхзвуковой трубах. На основе исследования физических процессов проводилось математическое моделирование обтекания тел вращения с учетом управления обтеканием ЛА. Расчетные методы представляют собой метод контрольного объема, используемый в пакете Ansys CFX, комбинированный метод С. К. Годунова и интегральный метод расчета параметров потока, разработанный на основе теории отрывных течений.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов гарантирована корректностью выбора исходных ограничений и допущений при постановке задачи; приемлемой точностью при проведении экспериментальных исследований измеряемых и вычисляемых величин; последовательным использованием при построении математических моделей обтекания органов управления полетом ЛА основных уравнений аэрогазодинамики, которые являются выражением фундаментальных законов сохранения массы, количества движения и энергии; согласованием результатов вычислительного и интегрального расчета с данными экспериментов МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЦАГИ, НИИ Механики МГУ.
Научная новизна. В диссертационной работе экспериментально и теоретически исследован процесс отрывного обтекания управляющих аэродинамических щитков. Найдена зависимость донного давления от перестройки единой структуры отрывного течения за органами управления (ОУ) к автономным областям отрыва потока. Определено влияние изменения формы донного среза (донной выемки, выемки с вырезом, с перфорацией) на значение донного давления. Адаптирован численный метод Годунова для расчета параметров отрывных течений с учетом вращения и подвода теплоты при ламинарном режиме течения. Усовершенствованы интегральный метод и методика численного моделирования на основе метода контрольного объема с использованием пакета Ansys CFX для расчета донного давления с достаточной для инженерной практики точностью в широких диапазонах изменения определяющих параметров.
Практическая значимость диссертации заключается в разработке алгоритмов расчета и вычислительных программ определения донного сопротивления при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях с учетом влияния органов управления, компоновки, подвода теплоты и вращения ЛА. Внедрен в программный комплекс расчета АДХ ЛА интегральный метод определения донного давления за ЛА, учитывающий наличие щитков на корпусе ЛА, протока газа между ними и подвода теплоты в донную область. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, использовались в учебном процессе кафедры СМЗ МГТУ им. Н.Э. Баумана и могут быть рекомендованы для применения в аэро-
динамическом проектировании ЛА с различной компоновкой тел вращения и ОУ щиткового типа.
На защиту выносятся
-
Результаты экспериментальных исследований обтекания тел вращения со щитковыми устройствами при дозвуковой и сверхзвуковой скоростях.
-
Методика и алгоритм расчета донного сопротивления тел простой формы методом Годунова с учетом вязкостных эффектов, теплопередачи и вращения.
-
Алгоритм расчета донного сопротивления тел вращения с органами управления обтеканием ЛА методом контрольного объема с использованием программного комплекса Ansys CFX.
-
Алгоритм интегрального метода расчета донного давления за щитками и за корпусом ЛА с учетом протока газа между щитками.
-
Результаты расчета влияния щитков на донное сопротивление.
-
Результаты расчета влияния донной выемки, перфорации и выреза поверхности донной части на донное сопротивление при различных удлинениях и формах лобового обтекателя ЛА.
Личный вклад автора состоит в разработке методик аэродинамических испытаний, расчетных методик, анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: XVIII Школе-семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», 23-27 мая 2011 г., Звенигород; Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2011г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 научных работах, в том числе 4 научных статьях перечня ВАК [1-4] и 2 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы, содержит 184 страниц текста, 135 рисунков, 6 таблиц. Список использованной литературы включает 125 наименований.
